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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE
TCE - Escola de Engenharia
TEM - Departamento de Engenharia Mecânica
PROJETO DE GRADUAÇÃO II
Título do Projeto :
ELABORAÇÃO DE PLANOS DE MANUTENÇÃO
MECÂNICA PARA TURBINAS AERODERIVADAS
Autor :
GABRIEL RIBEIRO RELVAS
VICTOR PIRES MENDONÇA
Orientador :
BRUNO CAMPOS PEDROZA
Data : 31 de agosto de 2019
GABRIEL RIBEIRO RELVAS
VICTOR PIRES MENDONÇA
ELABORAÇÃO DE PLANOS DE MANUTENÇÃO
MECÂNICA PARA TURBINAS AERODERIVADAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado
ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade
Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção
do grau de Engenheiro Mecânico.
Orientador:
Prof. BRUNO CAMPOS PEDROZA
Niterói
2019
Ficha catalográfica automática - SDC/BEEGerada com informações fornecidas pelo autor
Bibliotecária responsável: Fabiana Menezes Santos da Silva - CRB7/5274
M539e Mendonça, Victor Pires Elaboração de planos de manutenção mecânica paraturbinas aeroderivadas / Victor Pires Mendonça, GabrielRibeiro Relvas ; Bruno Campos Pedroza, orientador. Niterói,2019. 63 f. : il.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em EngenhariaMecânica)-Universidade Federal Fluminense, Escola deEngenharia, Niterói, 2019.
1. Turbina a gás. 2. Manutenção de máquina. 3.Mecânica. 4. Energia. 5. Produção intelectual. I. Relvas,Gabriel Ribeiro. II. Pedroza, Bruno Campos, orientador. III.Universidade Federal Fluminense. Escola de Engenharia. IV.Título.
CDD -
AGRADECIMENTOS
Gostaríamos de agradecer a nossa família, principalmente aos nossos pais, pelo amor, incentivo
e apoio durante todos esses anos de formação.
Agradecemos a todos os professores, direção e administração da Universidade Federal
Fluminense, principalmente os da Escola de Engenharia, pela oportunidade de ter cursado essa
graduação e por terem nos proporcionado o conhecimento necessário na nossa formação
profissional.
Ao nosso orientador, Bruno Campos Pedroza, por ter sido paciente e pelo empenho à elaboração
deste trabalho.
Agradecemos a professora Stella Maris Pires Domingues e ao mestre João Carlos de Deus Filho
por terem feito parte da nossa banca na defesa desse trabalho e por todo suporte que nos deram
durante a graduação.
Agradecemos a Equipe Blackbird Aerodesign e todos os seus membros por ter nos acolhido
durante todos esses anos e pelas experiências conquistadas.
Agradecemos a todos nossos amigos e companheiros de trabalho que fizeram parte da nossa
formação e que irão continuar presentes para sempre nas nossas vidas.
RESUMO
A turbina a gás é uma das máquinas mais utilizadas atualmente na indústria da exploração de
petróleo para geração de energia elétrica. São máquinas térmicas que não podem parar de operar
com muita frequência e necessitam de uma manutenção adequada e bem planejada. Este
trabalho apresenta uma análise dos principais planos de manutenção mecânica para turbinas
aeroderivadas. A pesquisa é baseada em normas, manuais, e bibliografia especializada no
assunto. Verificou-se que as turbinas aeroderivadas são equipamentos complexos e necessitam
de atenção quando se trata de manutenção, passando pelos três tipos de manutenção mais
comuns, como preventiva, preditiva e corretiva, até a gestão da manutenção como um todo. Foi
demonstrado alguns dos principais planos de manutenção realizados nesse equipamento e por
fim elaborado um modelo para realização de um plano de manutenção. A partir desses
resultados foi possível concluir totalmente que o planejamento correto das manutenções nas
turbinas aeroderivadas reduzem os custos, aumentam a vida útil das máquinas e aumentam a
sua confiabilidade. Também foram sugeridos possíveis temas para serem abordados em
trabalhos futuros que contribuem para o aumento de estudos relacionados a esse tema.
Palavras-Chave: Turbina; Manutenção; Aeroderivada; Falha; Planos; Energia; Mecânica.
ABSTRACT
The gas turbine is one of the most widely used machines in the oil exploration industry today.
These are thermal machines that cannot stop operating very often and require proper and well-
planned maintenance. This paper presents an analysis of the main mechanical maintenance
plans for aeroderivative turbines. The research is based on norms, manuals, and specialized
literature on the subject. Aeroderivative turbines have been found to be complex equipment and
need attention when it comes to maintenance, ranging from the three most common types of
maintenance, such as preventive, predictive and corrective, to maintenance management as a
whole. Some of the main maintenance plans performed on this equipment were demonstrated
and finally a model was prepared to carry out a maintenance plan. From these results it was
possible to fully conclude that the correct planning of the maintenance on the aeroderivative
turbines reduce the costs, extend the useful life of the machines and increase their reliability.
Possible topics were also suggested to be addressed in future works that contribute to the
increase of studies related to this theme.
Key-Words: Turbine; Maintenance; Aeroderivative; Failure; Plans; Energy; Mechanics.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Turbina LM2500, f. 9
Figura 2 – Turbina de Hero, f. 13
Figura 3 – Avião Messerschmitt ME 262, f. 14
Figura 4 – Ciclo de Brayton, f. 15
Figura 5 – Diagrama de uma turbina a gás, f. 17
Figura 6 – Compressor de uma Turbina, f. 18
Figura 7 – Partes da Turbina, f. 19
Figura 8 – Diagrama de ar de pressurização, f. 23
Figura 9 – Palheta da turbina LM1600, f. 24
Figura 10 – Análise de vibração, f. 34
Figura 11 – Vanes do compressor de ar com corrosão, f. 36
Figura 12 – Cabo danificado por falha no isolamento térmico, f. 38
Figura 13 – Nozzles da GG com erosão, f. 39
Figura 14 – Filtros de ar de entrada, f. 44
Figura 15 – Boroscópio, f. 47
Figura 16 – Inspeção, f. 48
Figura 17 – Pontos de acesso para inspeção, f. 50
Figura 18 – Exemplos de Desalinhamento, f. 51
Figura 19 – Exemplo de utilização de régua retificada, f. 52
Figura 20 – Método dos relógios comparadores, f. 53
Figura 21 – Método óptico laser, f. 54
Figura 22 – Tempo produtivo de trabalho, f. 55
Figura 23 – Modelo, f. 58
Figura 24 – Exemplo de um modelo aplicado, f. 60
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 9
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS .................................................................................... 9
1.2 OBJETIVOS .............................................................................................................. 10
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ................................................................................ 10
2 METODOLOGIA ........................................................................................................... 11
3 REVISÃO BIBLIOGRAFICA ....................................................................................... 12
3.1 TURBINAS AERODERIVADAS .............................................................................. 12
3.1.1 HISTÓRICO DAS TURBINAS ........................................................................ 12
3.1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................. 15
3.1.3 COMPONENTES DE UMA TURBINA ........................................................... 16
3.1.3.1 COMPRESSOR ............................................................................................ 17
3.1.3.2 CÂMARA DE COMBUSTÃO ..................................................................... 19
3.1.3.3 RODA DA TURBINA .................................................................................. 20
3.1.4 SUBSISTEMAS ................................................................................................. 21
3.1.4.1 SISTEMA DE COMBUSTÍVEL .................................................................. 21
3.1.4.2 SISTEMA DE AR DA TURBINA ................................................................ 22
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .................................................................................. 25
4.1 MANUTENÇÃO ....................................................................................................... 25
4.2 HISTÓRICO DA MANUTENÇÃO ........................................................................... 25
4.3 TIPOS DE MANUTENÇÃO ...................................................................................... 26
4.3.1 MANUTENÇÃO CORRETIVA ....................................................................... 27
4.3.2 MANUTENÇÃO PREVENTIVA ..................................................................... 27
4.3.3 MANUTENÇÃO PREDITIVA ......................................................................... 28
4.3.4 MANUTENÇÃO DETECTIVA ........................................................................ 29
4.3.5 ENGENHARIA DE MANUTENÇÃO .............................................................. 29
4.4 GESTÃO DA MANUTENÇÃO ................................................................................. 30
4.4.1 MANUTENÇÃO PRODUTIVA TOTAL (TPM) ............................................. 30
4.4.2 PLANO DE MANUTENÇÃO ........................................................................... 32
5 PRINCIPAIS OCORRÊNCIAS DE FALHAS .............................................................. 33
5.1 VIBRAÇÕES MECÂNICAS ..................................................................................... 33
5.2 CORROSÃO .............................................................................................................. 36
5.3 ISOLAMENTO TÉRMICO ....................................................................................... 37
5.4 EROSÃO ................................................................................................................... 38
6. PRINCIPAIS PLANOS DE MANUTENÇÃO .............................................................. 39
6.1 LIMPEZA DE TURBOMÁQUINAS ......................................................................... 40
6.1.1 LIMPEZA DURANTE O COMISSIONAMENTO E OPERAÇÃO ............... 40
6.1.2 DECAPAGEM QUÍMICA DAS LINHAS DE PROCESSO DO PACOTE .... 41
6.1.3 LIMPEZA DO SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE E SELAGEM ........ 41
6.1.4 LAVAGEM DO COMPRESSOR DE AR DO GERADOR DE GÁS .............. 42
6.1.4.1 LAVAGEM COM DETERGENTE .............................................................. 43
6.1.4.2 LAVAGEM COM ÁGUA ............................................................................ 43
6.1.4.3 LAVAGEM SÓLIDA ................................................................................... 43
6.1.5 LIMPEZA DE BICOS INJETORES ................................................................ 43
6.1.6 LIMPEZA DE FILTROS .................................................................................. 44
6.2 INSPEÇÃO DE TURBOMÁQUINAS ....................................................................... 44
6.2.1 INSPEÇÃO DESTRUTIVA E NÃO DESTRUTIVA ....................................... 45
6.2.2 INSPEÇÃO BOROSCÓPICA .......................................................................... 46
6.2.3 ALINHAMENTO .............................................................................................. 50
7 ELABORAÇÃO DE UM MODELO DE PLANO DE MANUTENÇÂO ..................... 54
7.1 MODELO DO PLANO .............................................................................................. 55
7.2 APLICAÇÃO DO MODELO ..................................................................................... 59
8 CONCLUSÃO ................................................................................................................. 61
9 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 62
9
1 INTRODUÇÃO
1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
As turbinas aeroderivadas são máquinas que pertencem ao grupo dos equipamentos
rotativos. Trabalham, normalmente, em regime permanente e operam em uma faixa que vai
desde pequenas potências, na ordem de 100kW, até grandes potências, 50MW. Por este motivo,
se tornaram uma opção interessante cujo uso está em franca ascendência.
As turbinas aeroderivadas, possuem vantagens se comparadas com as turbinas
industriais, sendo mais leves e mais eficientes, alcançam maior taxa de compressão e possuem
uma menor temperatura de exaustão. No entanto, são mais barulhentas, complexas e caras.
Figura 1 – Turbina LM2500
Fonte: https://www.ge.com/content/dam/gepower-
pgdp/global/en_US/images/product/gas%20turbines/Photos/LM6000-PF%2B-9_mobile.jpg Acessado em:
20/06/2019
Por serem máquinas importantes, que geram a energia necessária para o local onde estão
instaladas, necessitam de supervisão frequente e precisam que sejam realizadas manutenções
para mantê-las operando de acordo com as recomendações dos fabricantes e com as exigências
operacionais.
Essas manutenções seguem modelos de gestão que auxiliam no desenvolvimento de
planos para organizar e gerir o tempo entre paradas para manutenção, quantidade de pessoas
necessárias e equipamentos auxiliares necessários para realização dessas manutenções. Além
10
disso, toda e qualquer tipo de manutenção deve respeitar normas de segurança, para garantir a
segurança dos trabalhadores que estão exercendo sua função e também evitar impactos ao meio
ambiente.
1.2 OBJETIVOS
Esse trabalho tem como primeiro objetivo informar os principais planos de manutenção
mecânica aplicados às turbinas aeroderivadas, através da descrição destes e da importância que
cada um tem para o sistema e para a gestão dos equipamentos associados.
Como objetivos secundários, serão abordados assuntos relevantes às turbinas
aeroderivadas, como seu histórico, seus principais subsistemas e componentes. Também serão
abordados os assuntos referentes a manutenção, passando por cada tipo de manutenção
existente.
Por fim, como último e principal objetivo, será elaborado um modelo de plano de
manutenção, contendo uma breve explicação de seus principais componentes e motivos que
levaram a escolha destes para compô-lo.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
O trabalho está dividido em nove capítulos. No capítulo 1 é demonstrado o problema,
ou seja, como a manutenção pode contribuir para a efetividade e melhoria do desempenho
dessas máquinas, o objetivo geral e os objetivos específicos, assim como a definição da
estrutura.
O capítulo 2 é onde está descrita a metodologia utilizada para confecção deste trabalho
e os métodos de pesquisa associados.
Os dois capítulos seguintes apresentam a revisão bibliográfica e fundamentação teórica,
respectivamente, que dividem o trabalho em dois conceitos: Turbinas Aeroderivadas e
Manutenção. A revisão bibliográfica apresenta uma abordagem de diferentes autores sobre o
conceito das turbinas e a Fundamentação teórica apresenta conceitos relacionados a
manutenção e como ela é aplicada atualmente. Juntos representam o tema do trabalho,
possibilitando um embasamento teórico para realização do desenvolvimento.
Do capítulo cinco ao sete se trata do desenvolvimento do trabalho, onde se encontra um
estudo mais técnico da manutenção das turbinas a gás e utilização da metodologia para definir
11
os melhores meios de se realizar os planos voltados a essas máquinas. Aqui também é
apresentado o objeto que esse trabalho se propôs a entregar como objetivo.
O capítulo oito apresenta a conclusão do trabalho, realizando as considerações finais
sobre os estudos da manutenção em turbinas aeroderivadas. Por último, o capítulo nove,
apresenta todas as referências utilizadas neste trabalho.
2 METODOLOGIA
Será realizada uma visão geral do conceito da manutenção, passando pela manutenção
corretiva, preditiva e preventiva, além da gestão da manutenção e como são realizadas na
indústria atualmente.
O sistema de geração de energia será dividido em subsistemas, sendo cada um explicado
individualmente e qual sua importância para o processo. Para cada subsistema, serão feitas
análises com base nas necessidades operacionais, como a manutenção deve atuar e possíveis
problemas que podem ocorrer.
A aplicação desses conceitos será demonstrada através da elaboração de planos de
manutenção mecânica para as turbinas aeroderivadas, baseando-se em recomendações dos
fabricantes, normas, manuais, estudos realizados anteriormente, além de consultas a
profissionais que trabalham no ramo, a fim de realizar um estudo fundamentado e aplicado no
ramo da Engenharia Mecânica.
A primeira parte do trabalho será o estudo das turbinas aeroderivadas, com o fim de
apresentar suas principais funções, seus modelos mais utilizados no mercado e suas principais
utilizações, mantendo o foco principalmente nas turbinas utilizadas para geração de energia
elétrica para plataformas offshore.
A segunda parte do trabalho será o estudo ou fundamentação teórica, com o objetivo de
apresentar os principais conceitos de manutenção, tendo em vista a sua pertinência no tema
abordado. Os principais autores que contribuíram com essa parte do trabalho foram
(WYREBSK, 2007), (ALMEIDA, 2016) e (FILHO, 2008).
Por fim, a terceira parte do trabalho será focada na pesquisa sobre planos de manutenção
mecânica com o foco nas turbinas aeroderivadas, dividindo-as em sistemas e subsistemas, de
forma a levantar informações que permitam justificar as escolhas desses planos frente a
identificação de ferramentas e práticas referentes à gestão e planejamento da manutenção. Por
12
fim, será elaborado um modelo de plano de manutenção com uma descrição de seus principais
itens.
3 REVISÃO BIBLIOGRAFICA
3.1 TURBINAS AERODERIVADAS
A turbina aeroderivada é uma máquina térmica que faz uso do ar como fluido de trabalho
para gerar energia. Para alcançar esse objetivo, o ar que passa pela turbina deve ser acelerado,
ou seja, sua velocidade ou energia cinética é aumentada. Para ter esse aumento de velocidade,
primeiramente, eleva-se a pressão e em seguida adiciona-se calor ao fluido. Essa energia gerada
é transformada em potência ao passar pela turbina de potência.
Essas turbinas possuem as seguintes características: potência elevada; pouca restrição
quanto a peso e tamanho; carcaças com peso elevado de partição horizontal; mancais de
deslizamento; combustores com grande diâmetro, boa durabilidade e fácil acesso para
manutenção e inspeção; palhetas de seção espessa; compressores e turbinas axiais com muitos
estágios; baixo nível de ruído, devido às baixas velocidades de admissão de ar; baixa relação
de compressão por estágio, propiciando larga faixa de operação estável do compressor.
As principais vantagens são: longa vida útil, grande confiabilidade operacional, boa
eficiência térmica e baixo nível de ruído. Suas principais desvantagens são peso e tamanho
elevado.
3.1.1 HISTÓRICO DAS TURBINAS
A turbina a gás é uma máquina motora que tem sua história datada desde há muitos
anos. Inúmeros estudos sobre esse tema foram realizados no decorrer da história da
humanidade. Em 150 A.C., Hero, um filósofo e matemático egípcio, inventou um brinquedo
que rodava sobre uma caldeira de água. A água vaporizada subia por dois tubos perpendiculares
à superfície da câmara, adentrava em uma esfera sustentada por um pivot e saía por dois outros
tubos em forma de 90º que se projetavam da esfera. O vapor ao sair desses dois tubos fazia a
esfera girar. (MARTINELLI JR, 2002, p.18)
13
Figura 2 – Turbina de Hero.
Fonte: https://en.wikipedia.org/wiki/Aeolipile#/media/File:Aeolipile_illustration.png Acessado em:
18/06/2019
No trabalho de Martinelli Jr. (2002), é mostrado a evolução de máquinas que adotaram
o princípio de reação através do vapor. Em 1500, Leonardo Da Vinci desenvolveu um
dispositivo chamado “macaco de chaminé” que girava impulsionado por gases quentes que
subiam por uma chaminé. Seu objetivo era girar um espeto posicionado logo a cima de uma
fogueira, e funcionava a base de engrenagens.
Em 1678, Ferdinand Verbeist idealizou uma carruagem que fazia uso de jatos de vapor
para se mover. Em 1687, Isaac Newton anunciou as leis do movimento que propunha a
existência de equilíbrio entre ação e reação. Essa lei foi fundamental para a teoria da propulsão
moderna. Foi em 1791 que surgiu a primeira turbina a gás, patenteada por Jonh Barber.
(MARTINELLI JR, 2002, p.20)
Ainda de acordo com Martinelli Jr. (2002), em 1872 J. F. Stolze construiu a primeira
turbina a gás com combustão a pressão constante, cujos testes só ocorreram entre 1900 e 1904,
a partir da patente de Fernlhouge.
No ano de 1903, a General Eletric Co. iniciou o desenvolvimento de turbinas a gás.
Porém, nestes primeiros estudos, a potência consumida pelo compressor era maior do que a
fornecida pela turbina, sendo necessário uso de energia externa para seu funcionamento. É
interessante observar que mesmo tendo esse empecilho, esses estudos foram bastante relevantes
visto que a GE, atualmente, é um dos grandes fabricantes de turbinas tanto para uso industrial
como para o aeronáutico. (MARTINELLI JR, 2002, p.21)
Percebendo que os erros no desenvolvimento das turbinas eram atribuídos às altas
temperaturas e da relação de pressão alcançada nos compressores, em 1909, Holzwarth, na
14
Alemanha, alterou o projeto da turbina para combustão a volume constante ao invés de pressão
constante. Dessa forma, a limitação quanto ao aumento de pressão nos compressores seria
eliminada. A limitação de temperatura foi resolvida utilizando um sistema de resfriamento a
água, possibilitando utilizar uma menor massa de ar.
Ainda segundo Martinelli Jr. (2002), em 1937, Frank Whittle desenvolveu o primeiro
motor para fins aeronáuticos. A primeira turbina axial surgiu em 1942 e foi denominada de
Junkers Jumo 004 e o primeiro avião a usá-la foi o Messerschmtt ME262, desenvolvido por
Franz Anslem.
Figura 3 – Avião Messerschmtt ME262
Fonte:
https://pt.wikipedia.org/wiki/Messerschmitt_Me_262#/media/Ficheiro:Messerschmitt_Me_262_050606-F-
1234P-055.jpg Acessado em: 17/06/2019
Logo após a 2ª Guerra Mundial, a aviação comercial passou a utilizar a propulsão a jato
com frequência cada vez maior. Os novos conhecimentos de aerodinâmica e o uso intensivo
desse tipo de propulsão fizeram com que o desenvolvimento das turbinas a gás tivesse um
grande avanço, já que possibilitaram o projeto de turbomáquinas com elevado rendimento.
(MARTINELLI JR; 2002, p.23)
De acordo com Queiroz & Matias (2003, p. 3), ultimamente as turbinas a gás de baixo
peso, ou aeroderivadas, passaram a ser utilizadas em aplicações industriais.
No ramo industrial, as primeiras turbinas a gás fabricadas eram máquinas de construção
pesada, com projeto vindo diretamente das práticas utilizadas nas turbinas a vapor. Estas
15
máquinas foram as precursoras das chamadas turbinas industriais para serviço pesado
(industrial heavy duty gas turbines).
3.1.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
As turbinas a gás são máquinas térmicas que fazem uso do ar como fluido do gerador
de energia. O ar passa pela turbina, onde é acelerado e, consequentemente, há o aumento da
energia cinética. Para que isso aconteça, o ar é comprimido e adiciona-se calor. A energia
gerada é transformada em potência no eixo da turbina.
Essa geração de energia acontece após as etapas do ciclo de Brayton: compressão,
combustão, expansão e exaustão.
Figura 4 - Ciclo de brayton
Fonte: Yunus A. Çporel, Michael A. Boles. Termodinâmica. 2013. Bookman Editora. Página 508.
1. Compressão – É admitido ar no compressor, onde é comprimido e a energia cinética
e temperatura do fluido aumentam;
2. Combustão – O ar comprimido passa para a câmara de combustão onde o
combustível, a alta pressão, é injetado através dos bicos injetores e queimado a uma
pressão aproximadamente constante. A ignição dessa mistura ar/combustível
acontece durante a partida, através dos ignitores e uma tocha quando aplicável. Após
isso, a combustão se auto sustenta;
16
3. Expansão – Os gases gerados na combustão a alta temperatura são expandidos a uma
alta velocidade através dos estágios anteriores da turbina geradora de gás, que é
basicamente um conjunto rotor e as rodas estatoras com palhetas, que promovem
um efeito de bocal e direcionam os gases para proporcionar o melhor ângulo de
ataque nas palhetas das rodas da turbina. Neste momento, a energia dos gases é
convertida em potência no eixo que aciona tanto o compressor axial como a turbina
de potência;
4. Exaustão – Essa é a parte responsável pela propulsão em um avião a jato, onde os
gases remanescentes da etapa anterior passam através de um bocal para aumentar
sua velocidade e gerar o impulso. Na aplicação industrial, ao invés de gerar impulso,
os gases são direcionados a uma turbina de potência com um ou mais estágios, onde
a energia disponível dos gases é convertida em potência no eixo para acionar os
compressores de gás. No fim, os gases fluem para o duto de exaustão, onde sua
energia remanescente pode ser reaproveitada em um sistema de recuperação de
calor, no aquecimento de água.
Deve-se lembrar que não existe conexão mecânica entre o eixo do conjunto gerador de
gás (GG) e o eixo da turbina de potência (PT).
Possuem, normalmente, uma turbina livre, desacoplada mecanicamente do conjunto
compressor-turbina. Esta turbina é comumente denominada Turbina de Potência (PT, sigla de
origem na língua inglesa e significa Power Turbine) e o conjunto anterior é denominado
Gerador de Gás (GG, sigla de origem na língua inglesa e significa Gas Generator).
3.1.3 COMPONENTES DE UMA TURBINA
Uma turbina a gás é composta de: gerador de gás (GG), onde encontram-se o compressor
de ar, a câmara de combustão e a turbina de alta pressão (HP), e uma turbina livre ou turbina
de potência (PT).
17
Figura 5 - Diagrama de uma turbina a gás
Fonte: https://www.tecmundo.com.br/aviao/33110-como-funciona-um-motor-com-turbina-a-gas-de-um-aviao-
infografico-.htm Acessado em: 16/06/2019.
3.1.3.1 COMPRESSOR
O compressor de ar é o componente da turbina responsável pelo aumento da pressão do
fluido de trabalho, ou seja, do ar no ciclo Brayton, e é acionado pela turbina do gerador de gás,
ou, por um motor elétrico acoplado a turbina utilizado especificamente para partida.
O compressor axial trabalha com baixas relações de compressão, normalmente situados
entre 1,1/1 e 1,4/1, o que resulta em uma quantidade elevada de estágios para atingir elevadas
relações de compressão, de até 18/1, empregadas em algumas máquinas modernas. Relações de
compressão muito altas são obtidas através da utilização de rotores axiais operando em série
(dois ou três) ou por um rotor com vários estágios e um último estágio centrífugo.
Permite obter altas vazões de ar, até 700kg/s e eficiência isentrópica entre 85 e 90%,
motivo pelo qual é empregado em praticamente todas as turbinas a gás de médio e grande porte.
Seu princípio de funcionamento é de acelerar o ar para assim aumentar a pressão do
mesmo. Constitui-se de uma seção estacionária, onde estão instalados os anéis com aletas
estatoras e a seção rotativa composta por um conjunto de rotores com palhetas. Em algumas
turbinas, o ângulo dessas aletas estatoras pode ser variado de forma automatizada, o que permite
um controle da relação de compressão. Cada estágio de compressão é composto por um rotor
com palhetas e um anel com aletas estatoras.
O rotor com palhetas é responsável pela aceleração do ar, funcionando como um
ventilador que puxa o ar e o empurra na direção desejada. É durante essa etapa que o ar recebe
trabalho para aumentar a energia de pressão, velocidade e temperatura. O anel de aletas
18
estatoras tem como finalidade direcionar esse ar para incidir com um ângulo favorável sobre as
palhetas do próximo estágio rotor e promover a desaceleração do fluxo do ar para que haja a
transformação da energia de velocidade em pressão. O projeto dessas máquinas garante que a
velocidade na entrada de cada estágio rotor seja a mesma para a condição de maior eficiência.
Esse é um processo que se repete para cada estágio subsequente, sendo que cada estágio
promove um pequeno aumento na pressão.
O fluxo de ar é paralelo ao eixo, axial, numa trajetória helicoidal. A área da seção de
passagem é reduzida da admissão para a descarga, a fim de manter a velocidade do ar constante
dentro da faixa de operação, uma vez que a pressão sobe a cada estágio e consequentemente a
massa específica.
As aletas do último estágio servem como guias de saída (OGV – Outlet Guide Vanes),
que direcionam o ar em um fluxo axial estabilizado para a parte traseira do compressor e início
da câmara de combustão.
Assim como as OGV, na entrada do compressor estão instaladas as guias de entrada
(IGV – Inlet Guide Vanes), que são aletas móveis que alteram o ângulo de ataque das palhetas
para o primeiro estágio de compressão. A eficiência é aumentada gradualmente de acordo com
o aumento da rotação. Há válvulas de sangria instaladas para prevenir o surge em baixas
rotações.
Figura 6 – Compressor de uma turbina
Fonte: http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAgrjAAG-2.jpg Acessado em: 10/04/2019
O conjunto IGV e válvulas de sangria integram parte do sistema de controle de fluxo de
ar na turbina. A proteção quanto ao surge, que é a oscilação abrupta do fluxo de ar no
compressor podendo até assumir valor negativo, se dá através de válvulas de alívio instaladas
19
nos últimos estágios, que ficam abertas aliviando para atmosfera durante a fase de aceleração e
parada de compressor.
3.1.3.2 CÂMARA DE COMBUSTÃO
A combustão é um processo contínuo e realizado a pressão constante em uma turbina a
gás. Um fluxo contínuo de combustível (gás ou diesel) e ar é misturado e queimado à medida
que escoa através da zona de chama. Essa chama não chega a tocar nas paredes internas da
câmara de combustão, através de uma distribuição de fluxo de ar admitido, que também serve
para resfriar toda a câmara de combustão. Largas faixas de variação de relação combustível –
ar da mistura podem ser queimadas, porque a proporção combustível – ar é mantida normal na
região da chama, sendo o excesso de ar injetado a jusante da chama.
A câmara de combustão deve ser projetada para garantir o resfriamento adequado da
camisa (paredes internas), combustão completa, estabilidade da chama e baixa emissão de
fumaça, monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio. Devido a combustão
ser feita a pressão elevada, a taxa de liberação de calor desenvolvida é muito maior em relação
ao volume da câmara de combustão. Em turbinas aeronáuticas, este volume pode ser de apenas
5% do volume que seria necessário em uma caldeira se mantivesse a mesma taxa de liberação
de calor.
Figura 7 – Partes da Turbina
Fonte:
https://www.researchgate.net/publication/328238774/figure/fig5/AS:680908625559556@1539352675972/LM-
2500-marine-gas-turbine-engine.png Acessado em: 10/05/2019
20
Em turbinas aeronáuticas, onde a área frontal é importante, os combustores
empregadores são do tipo tubo-anular ou anular. Estes tipos de combustores garantem uma
distribuição circunferencial de temperatura uniforme na entrada do primeiro estágio da turbina.
Apesar de ter um desenvolvimento mais difícil e caro, o combustor anular é o mais
empregado em turbinas aeronáuticas modernas. Combustores anulares são particularmente
adequados para aplicações que exigem altas temperaturas ou com gases de baixo poder
calorífico, já que exigem menos ar de resfriamento, devido à menor área superficial da camisa.
A quantidade de ar de resfriamento requerida pelo combustor é particularmente
importante em aplicações com gases de baixo poder calorífico, pois estes gases exigem mais ar
primário, sobrando pouco ar para resfriamento da câmara. Em turbinas aeronáuticas, os
combustores anulares são de fluxo direto e em turbinas industriais são de fluxo reverso.
3.1.3.3 RODA DA TURBINA
A roda da turbina é o melhor meio para transformar a energia contida em um fluxo de
gás a alta pressão e temperatura em trabalho no eixo. O escoamento do gás através da turbina
perde pressão e temperatura à medida que se expande e transforma sua energia em trabalho. A
grande maioria das turbinas empregadas em turbinas a gás é do tipo axial já que apresentam
maior eficiência isentrópica, variando entre 75 e 90%.
Diferentemente dos compressores axiais, as palhetas estatoras antecedem as palhetas da
roda da turbina, pois tem a finalidade de direcionar o fluxo de gás num ângulo de ataque
favorável nas palhetas rotoras e proporcionarem o efeito bocal para aumentar a velocidade do
fluxo.
Vários estágios de palhetas estatoras e rotoras podem ser equipados na turbina,
dependendo da aplicação ou projeto. As palhetas estatoras são fixadas a carcaça da turbina,
enquanto as palhetas rotoras às rodas, que são fixadas ao eixo. Dessa forma, a energia extraída
pela roda da turbina é transmitida ao eixo que por sua vez transfere para o compressor de ar, o
que fecha o ciclo de funcionamento com a compressão do volume de ar para a câmara de
combustão.
Para aplicação industrial, os gases gerados na exaustão da turbina a gás são direcionados
por meio de uma peça de transição para a turbina de potência, que é um conjunto de estágios
de palhetas estatoras e rotoras com a finalidade de extrair potência. Essa energia é transmitida
21
para um eixo utilizando um redutor de velocidade (gerador elétrico) ou um multiplicador
(compressor).
3.1.4 SUBSISTEMAS
Nessa parte do trabalho, será explicado cada um dos subsistemas e sua importância para
a geração de energia nas plataformas offshore.
3.1.4.1 SISTEMA DE COMBUSTÍVEL
O sistema de combustível é um sistema adjacente à turbina aeroderivada e possui grande
importância em seu funcionamento. Suas funções podem ser categorizadas da seguinte maneira:
Promover isolamento do sistema;
Fornecer combustível filtrado e enquadrado para o equipamento;
Estabelecer, bloquear e controlar o fluxo de combustível para o equipamento.
Primeiramente é realizado o tratamento do gás combustível, para torná-lo próprio para
a injeção na turbina. É nessa etapa que é feita a retirada de condensado, que são componentes
não necessários para sua função. Também é aqui que é realizado o controle de temperatura ideal
para o combustível assim como sua filtragem. Possui como particularidade a realização desse
controle de temperatura e pressão de forma precisa, para evitar ao máximo a perda de eficiência
na queima.
Como será mostrado posteriormente, a qualidade do combustível está atrelada a vários
mecanismos de falha, portanto, é importante manter a atenção para a manutenção do sistema de
controle de qualidade para que não chegue um combustível de baixa qualidade à máquina.
O sistema de combustível possui válvulas redutoras de pressão (BlowDown Valve –
BDV) e válvulas de desligamento de emergência (ShutDown Valve – SDV) responsáveis por
estabelecer e bloquear gás de fora do lugar onde a turbina está instalada. São válvulas
pneumáticas e fazem parte do sistema de enquadramento do gás.
As manutenções dessas válvulas são feitas através de testes manuais no local e
remotamente. Verifica-se a estanqueidade e abertura completa para garantir seu funcionamento
correto.
22
Os filtros de entrada também são importantes e possuem como função bloquear a
entrada de corpos estranhos no sistema. Devem ser inspecionados periodicamente e possuem
alguns cuidados especiais, tais como:
Trocar junta sempre que intervir;
Confirmar aperto dos parafusos;
Conferir reinstalação do Bujão após manutenção.
As válvulas de diafragma (Speed Rate Valve – SRV) são responsáveis por estabelecer e
interromper o fluxo de gás além de controlar a pressão na região intervalvular nos regimes de
partida, parada e regime de operação. São elas que mantem a pressão estável durante a operação.
As válvulas de controle de gás (Gas Control Valve – GCV) possuem como função
controlar a vazão de gás para a máquina. Não possuem requisitos de estanqueidade, controlam
a vazão de gás na partida (incremento de velocidade), na condição de regime (potência) e na
parada (redução de velocidade).
Há também as válvulas de vent de gás, que servem para despressurizar a região entre
válvulas. É também uma válvula de desligamento de emergência para liberar o gás pressurizado
em uma parada forçada.
3.1.4.2 SISTEMA DE AR DA TURBINA
As turbinas aeroderivadas possuem um sistema funcional de aproveitamento de ar da
compressão para outras funções além da queima. Trata-se de um sistema de sangria, que utiliza
parte do ar comprimido nos últimos estágios de compressão para realizar funções, tais como:
Pressurização dos sumps;
Resfriamento da Turbina de Potência;
Acionamento da válvula de exaustão e resfriamento da PT;
Resfriamento dos sumps;
Resfriamento dos nozzles dos primeiros estágios;
Pressurização e selagem dos mancais da PT;
HP Recoup - Resfriamento;
Ar para combustão, resfriamento e balanceamento.
23
A figura 8 mostra um diagrama representando essas funções, mostrando o caminho
percorrido pelo ar pressurizado até chegar nos pontos determinados. Este diagrama é da turbina
LM2500 de fabricação da GE.
Figura 8 – Diagrama de ar de pressurização
Fonte: Apostila Manutenção Mecânica de Turbomáquinas, 2018
A utilização desse ar pressurizado é uma forma otimizada de aproveitamento, já que ao
invés de utilizar um sistema adjacente para cumprir a tarefa de resfriar e pressurizar selos,
mancais, entre outros componentes da turbina, utiliza-se o próprio ar comprimido nos seus
estágios de compressão. Essa é uma forma de economizar no custo por não ter a necessidade
de adquirir outro compressor para realizar essas funções.
Temperaturas elevadas de operação da máquina são uma das principais responsáveis
por falhas nas turbinas aeroderivadas, o que mostra a importância da utilização de um sistema
de resfriamento de ar que, além de garantir uma temperatura de operação adequada, é
responsável por manter a pressão necessária para a correta operação dos selos e mancais e evitar
vazamentos.
As palhetas rotoras e estatoras da turbina de potência, por exemplo, possuem canais
internos utilizados para resfriamento. O ar vindo dos últimos estágios da compressão entra por
baixo das palhetas, passando por canais internos e saindo por pequenos furos localizados ao
24
longo de sua extensão. Como a Turbina de Potência fica logo depois da câmara de combustão,
esse sistema serve para aliviar os efeitos causados pela alta temperatura nas proteções térmicas
dessas palhetas.
Figura 9 – Palheta da turbina LM1600
Fonte: https://www.liburdi.com/turbine-services-repairs-aero-derivative-GE-LM-Series Acessado em:
05/07/2019
O ar de resfriamento também é utilizado para auxiliar na proteção térmica da câmara de
combustão. O ar a uma temperatura mais baixa passa por fora da câmara de combustão e vai
entrando nela de acordo com uma distribuição determinada, sendo parte desse ar participando
da queima e outra parte responsável pela refrigeração.
25
4 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
4.1 MANUTENÇÃO
Segundo Monchy (1987, p. 3), “o termo manutenção tem sua origem no vocábulo
militar, cujo sentido era manter nas unidades de combate o efetivo e o material num nível
constante de aceitação”. Já para Kardec e Nascif (2009, p.23), a manutenção industrial ou o ato
de manter é definida como “garantir a disponibilidade da função dos equipamentos e instalações
de modo a atender a um processo de produção e a preservação do meio ambiente, com
confiabilidade, segurança e custos adequados”.
Em 1994, a Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT, pela norma NBR-5462,
redefiniu o termo como sendo a combinação de todas as ações técnicas e administrativas,
incluindo as de supervisão, destinada a manter ou recolocar um item em um estado no qual
possa desempenhar uma função requerida (ABNT, 2004).
Ainda de acordo com a norma NBR-5462, os tipos de manutenção existentes são três,
classificados em Manutenção Corretiva, Manutenção Preventiva e Manutenção Preditiva, sendo
que cada uma dessas classificações tem significados, ações e objetivos completamente
diferentes.
4.2 HISTÓRICO DA MANUTENÇÃO
A manutenção está presente no cotidiano da humanidade desde os primórdios das
civilizações, sendo vista em serviços de pequenos reparos, na conservação de objetos e
ferramentas de trabalho. Contudo, foi apenas com a Revolução Industrial do século XVIII,
juntamente com o grande avanço tecnológico da época, que a manutenção se manifestou nas
organizações, a fim de manter o funcionamento das atividades industriais em ordem. Dessa
forma, o próprio operador da máquina se tornou responsável pela sua manutenção, recebendo
o treinamento devido para realização dos reparos. (WYREBSK, 2007).
Esse sistema, com a manutenção e operação sendo realizada pelo operador, perdurou
até a I Guerra Mundial, quando houve a introdução das linhas de montagem por Henry Ford e,
por consequência, dado início a demanda por sistemas de manutenção mais eficazes e ágeis,
predominantemente direcionados para o que hoje se denomina manutenção corretiva (FILHO,
2008).
26
Mesmo existindo nas empresas pessoas responsáveis pela manutenção, estas ainda eram
subordinadas à operação e executavam manutenção corretiva emergencial se necessário, o que
implicava em conserto após falha e eventual indisponibilidade de máquina. Foi com a II Guerra
Mundial, no final da década de 30, e com a necessidade de produções maiores e mais simples,
é que se começou a prática do monitoramento de máquinas e equipamentos com base no tempo,
caracterizando a manutenção preventiva como conhecida nos dias de hoje. Assim, a
manutenção, corretiva e preventiva, assumiu dentro da empresa posição hierárquica igual à da
função produção (WYREBSK, 2007; FILHO, 2008).
A estrutura do controle e prevenção de falhas foi integrada a equipe de manutenção e
trouxe resultados satisfatórios em termos de aumento da confiabilidade e disponibilidade de
máquinas e equipamentos, trazendo diminuição dos riscos de segurança e também à saúde do
trabalhador. Ainda assim, as paradas frequentes e os gastos gerados pela manutenção preventiva
tiveram repercussões negativas na produtividade, afetando o custo dos produtos. Por isso, foram
desenvolvidos critérios de previsão de falhas, formando equipes focadas no melhor
aproveitamento dos recursos disponíveis, através de controles estatísticos, estudos de falhas e
uso de sistemas informatizados. Assim, surge a Manutenção Preditiva e a área de Planejamento
e Controle da Manutenção (WYREBSK, 2007; FILHO, 2008).
A dependência cada vez maior das empresas na capacidade de criação e resposta no
setor da manutenção foi outro aspecto importante, pois as novas exigências do mercado
tornaram visíveis as limitações dos sistemas de gestão (MOUBRAY, 1996). Em diversos casos,
a necessidade de inovação e otimização exigia a criação de equipes multidisciplinares para
interação nas fases de projeto, fabricação e manutenção de equipamentos e máquinas, gerando
resultados ainda melhores em questão de produtividade e eficiência em custos. Além disso, a
manutenção foi obrigada a responder por suas intervenções com maior rigor e confiabilidade,
através da diminuição de retrabalhos e falhas na produção. Dessa forma, a Manutenção assumiu
papel estratégico dentro das empresas (FILHO, 2008).
4.3 TIPOS DE MANUTENÇÃO
Os tipos de manutenção abrangem as características de como é realizada a intervenção
no sistema. As práticas básicas de manutenção descritas nesse trabalho, consideradas como
principais por diversos autores, são: manutenção corretiva planejada e não planejada,
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manutenção preventiva, manutenção preditiva, manutenção detectiva e engenharia de
manutenção.
4.3.1 MANUTENÇÃO CORRETIVA
A manutenção corretiva, como o próprio nome sugere, é feita para corrigir alguma falha,
sendo realizada após sua ocorrência. É a forma mais simples de manutenção. Significa deixar
as instalações continuarem a operar até que se quebrem. O trabalho de manutenção é realizado
somente após a quebra do equipamento. Almeida (2016, p. 1), considera a manutenção corretiva
como a modificação dos componentes e peças desgastadas pelo uso em excesso, em outras
palavras, a falha no equipamento é identificada e imediatamente é feita sua restauração.
A Manutenção Corretiva Não-Planejada é caracterizada pela correção da falha de
maneira aleatória, realizada sempre após a ocorrência da falha, sem acompanhamento ou
planejamento anterior. Provoca altos custos e baixa confiabilidade de produção, já que gera um
intervalo de tempo não aproveitado e um tempo de parada de máquina, além de danos maiores
aos equipamentos, por vezes irreversíveis. (OTANI e MACHADO, 2008).
A Manutenção Corretiva Planejada é a correção do desempenho de forma preparada.
Ocorre, por exemplo, através de uma decisão gerencial de operar a máquina até a falha ou
realizando acompanhamento preditivo. Por ser planejado e não de forma aleatória, tende a ter
um custo inferior, maior confiabilidade e ser mais rápida (OTANI e MACHADO, 2008).
Segundo Almeida (2000), ao aderir esse tipo de filosofia, as máquinas e equipamentos
da planta não são revisados e não passam por grandes reparos até a ocorrência da falha. Os
custos de manutenção, ao utilizar esse tipo de gerência de manutenção, tendem a aumentar
ainda mais devido ao tempo de reação que pode se prolongar, seja por falta de peças
sobressalentes ou por falha da equipe.
De acordo com Xenos (1998, p. 23), é importante salientar que ao se escolher esse tipo
de manutenção, não se pode conformar com a ocorrência de falhas como algo natural, pelo
contrário, é dever da equipe se esforçar para reconhecer as causas importantes da falha e evitar
sua persistência.
4.3.2 MANUTENÇÃO PREVENTIVA
28
A manutenção preventiva é voltada para evitar que a falha aconteça, através de
manutenções em intervalos de tempo pré-estabelecidos. Segundo XENOS (1998, p. 24) a
manutenção preventiva deve ser feita com maior frequência, porque é a principal manutenção
de qualquer organização. De acordo com SLACK et al. (2002, p. 645), “visa eliminar ou reduzir
as probabilidades de falhas por manutenção (limpeza, lubrificação, substituição e verificação)
das instalações em intervalos de tempo pré-planejados”.
Esse tipo de manutenção assume que o correto não é esperar a falha acontecer para
depois realizar a manutenção, pois os custos poderão ser bem superiores devido ao imprevisto,
correndo o risco de ocorrer a falha total do equipamento ou o risco envolvendo a quem esteja
envolvido no processo.
O maior problema dessa abordagem se dá pelo fato de basear-se em estatísticas para
programação de paradas, sem avaliar as variáveis específicas da planta que afetam a operação
da máquina. Essas generalizações são as principais responsáveis pelas duas maiores
adversidades ao se adotar a manutenção preventiva: reparos desnecessários ou bastante
antecipados e falhas inesperadas (ALMEIDA, 2000). A primeira gera custos adicionais ao
realizar reparo muito antes do necessário, desperdiçando tempo e peças. Já no segundo,
considerado o mais crítico, a falha já ocorreu, tendo que transferir os gastos preventivos aos
corretivos, que são mais elevados.
4.3.3 MANUTENÇÃO PREDITIVA
É a manutenção responsável por realizar acompanhamentos de variáveis e parâmetros
de desempenho de máquinas e equipamentos, com o objetivo de definir o melhor momento da
intervenção, obtendo o máximo de aproveitamento do ativo (OTANI e MACHADO, 2008).
De acordo com Xenos (2004, p. 25), a manutenção preditiva permite estender a
durabilidade da manutenção e a troca das peças ou reforma dos equipamentos, já que prevê
quando a peça estará disponível para o próximo reparo.
Segundo Almeia (2000, p. 4), a diferença mais importante entre manutenção corretiva e
a preditiva é a capacidade de se programar o reparo quando ele tiver o menor impacto sobre a
produção. O tempo perdido durante a manutenção corretiva é significante e dificilmente pode
ser recuperado. A maioria das plantas industriais operam 24 horas por dia e o tempo perdido
não pode ser recuperado.
29
Por fim, a manutenção preditiva, se bem planejada, traz grandes benefícios à empresa,
apesar da sua aplicação não ser barata (ALMEIDA, 2016).
4.3.4 MANUTENÇÃO DETECTIVA
O termo vem da palavra “detectar” e começou a ser utilizado a partir da década de 90.
O objetivo desta prática é elevar a confiabilidade dos equipamentos, já que é caracterizada pela
intervenção em sistemas de proteção para identificar falhas ocultas ao pessoal da operação
(SOUZA, 2008).
Segundo Ferreira (2009, p. 23), um exemplo de aplicação da manutenção detectiva é o
circuito que comanda a entrada de um gerador em um hospital, que em um evento de falta de
energia e o circuito estiver em falha, o gerador não entra. Por isso, este circuito é testado com
determinada frequência para garantir sua funcionalidade.
Portanto, com o aumento da automação dentro das indústrias ou em processos críticos
que não suportam falha, a manutenção detectiva é de extrema importância.
4.3.5 ENGENHARIA DE MANUTENÇÃO
A realização da prática da engenharia de manutenção significa uma mudança cultural.
É considerada como a segunda quebra de paradigma na manutenção, através da consolidação
de uma política de melhoria contínua nesse ramo e pelas mudanças na rotina das atividades.
Engenharia de Manutenção significa perseguir parâmetros de excelência, aplicando
técnicas modernas, nivelando com a manutenção de Primeiro Mundo (KARDEC e NASCIF,
2009). Aqueles que praticam a Manutenção Corretiva não planejada terão um longo caminho a
percorrer para alcançar a Engenharia de Manutenção. E a principal dificuldade encontrada está
na “cultura” que está impregnada nas pessoas.
Tem como objetivos aumentar a confiabilidade, disponibilidade, segurança e
manutenabilidade; melhorar a gestão de pessoas, materiais e peças sobressalentes; realizar
análise de falhas e estudos técnicos; elaborar planos de manutenção, além de acompanhar
indicadores e realizar análises críticas, priorizando sempre pela documentação técnica
(KARDEC e NASCIF, 2009).
A Engenharia da Manutenção utiliza dados adquiridos pela Manutenção com o objetivo
de melhorar sempre. No momento em que a equipe de Manutenção estiver utilizando para
30
análises, estudos, proposições de melhorias e todas as informações que o Sistema de Preditiva
armazena, estará exercendo a Engenharia de Manutenção.
4.4 GESTÃO DA MANUTENÇÃO
Segundo Souza (2008, p.66), a gestão da manutenção se inicia na definição da
concepção: “(...) a gestão deve estar relacionada a todo conjunto de ações, decisões e definições
sobre tudo o que se tem que realizar, possuir, utilizar, coordenar e controlar para gerir os
recursos fornecidos para a função manutenção e fornecer assim os serviços que são aguardados
pela função manutenção”.
Todas as modalidades de manutenção devem estar associadas para trazer melhorias em
questão de desempenho de gestão. Dessa forma, com a diversidade de equipamentos e com o
desenvolvimento da produtividade e qualidade, a gestão da manutenção tem assumido grandes
responsabilidades com o objetivo de garantir disponibilidade e confiabilidade. Para alcançar
esses objetivos, concentra-se na melhoria dos sistemas, na busca de causas das falhas, na
atuação em situações permanentes de mau desempenho, no desenvolvimento da
manutenabilidade e na intervenção de compras e projetos.
Assim, ao definir uma política de manutenção, com uma gestão adequada, a área da
manutenção se torna um fator estratégico para redução de custos totais de produção e não mais
um gasto adicional para a empresa.
Duas ferramentas de gestão de manutenção serão apresentadas a seguir: o TPM (Total
Productive Maintenance – Manutenção Produtiva Total) e o RCM (Reliability Centered
Maintenance – Manutenção Centrada em Confiabilidade.
4.4.1 MANUTENÇÃO PRODUTIVA TOTAL (TPM)
O termo TPM teve sua origem no Japão, no início da década de 60, e possuía como
objetivo principal melhorar a confiabilidade dos equipamentos, aumentando a qualidade dos
processos (NETTO, 2008).
A manutenção produtiva total não considera apenas evitar a falha nos equipamentos,
mas sim melhorar o entendimento dos procedimentos de manutenção para que não haja prejuízo
na produção, melhorando a confiabilidade dos equipamentos e aumentando a qualidade dos
processos, trazendo resultados melhores para a empresa.
31
A manutenção produtiva total busca estabelecer o controle da produção e da
manutenção, considerando que deve haver acompanhamento dos responsáveis pela definição
das tarefas e dos indicadores para alcançar os resultados. Por fim, livres de perdas, as
organizações que aderem a TPM, devem concentrar seus esforços em eliminar as principais
causas relacionadas a elas, a fim de atingir a eficiência estimada do equipamento.
A metodologia do TPM fornece alguns princípios, chamados de pilares, que devem ser
considerados na sua implementação. Esses pilares, 8 no total, estão descritos abaixo.
I. Manutenção Autônoma – Tem como objetivo treinar e capacitar os operadores para
que se envolvam nas rotinas de manutenção e nas atividades de melhorias que
previnem a deterioração dos equipamentos;
II. Melhoria Focada ou Específica – Atuação nas perdas crônicas relacionadas aos
equipamentos. Objetiva formar times multidisciplinares compostos por engenheiros de
processo, operadores e mantenedores, com conhecimento diversificado, para reduzir o
número de quebras e aumentar a eficiência global do equipamento;
III. Manutenção Planejada – Foco preventivo, na quebra zero, e no aumento da eficiência
e eficácia do equipamento. Atua em três formas: planejamento de manutenções
preditivas, preventivas e paradas;
IV. Manutenção de Qualidade – Visa o “zero defeito”, através de um controle de
equipamentos, materiais, ações das pessoas e métodos utilizados. Algumas ferramentas
auxiliam neste processo como sistemas automáticos de inspeção e controle de
qualidade;
V. Controle Inicial – Todos os históricos anteriores de equipamentos são analisados no
projeto de um equipamento novo, com o objetivo de construir produtos fáceis de fazer
32
e equipamentos fáceis de utilizar, reduzindo o tempo de introdução do produto e
processo;
VI. Treinamento e Educação – Aplicação de treinamentos técnicos e comportamentais para
desenvolvimento das equipes, nas questões de liderança, flexibilidade e autonomia
principalmente;
VII. Segurança, Higiene e Meio ambiente – Foco em “zero acidentes”. Garantir a segurança
e prevenir impactos ambientais adversos, o que é fundamental atualmente;
VIII. Melhoria dos Processos Administrativos – Reduzir as perdas administrativas e
construir escritórios de alta eficiência. Tem como base a organização e eliminação de
desperdícios nas rotinas administrativas.
4.4.2 PLANO DE MANUTENÇÃO
O Plano de Manutenção pode ser entendido como a preparação dos serviços de
manutenção para que sejam executadas, possibilitando o envolvimento dos recursos ao
processo. O plano de manutenção consiste em uma série de ações preventivas a serem
executadas. Representa todas as ações requeridas para evitar falhas e garantir o funcionamento
dos equipamentos de forma satisfatória. (Xenos, 2004)
Para Xenos, um plano de manutenção consiste basicamente em:
I. Classificação dos equipamentos quanto a sua importância dentro do sistema de
produção;
II. Definição da forma e frequência da manutenção para cada equipamento, baseada
em inspeções periódicas e, se necessário, havendo trocas ou reformas de peças;
III. Garantir a eficácia do plano de manutenção através da utilização de indicadores
de controle, tomando medidas corretivas se necessário.
Já para Pinheiro (2012), para desenvolver um plano de manutenção, deve-se seguir as
seguintes questões:
I. Designar um responsável para realizar o controle administrativo do projeto.
Normalmente, esse funcionário tem um cargo de líder de produção, sendo um
representante da manutenção e o PCP (Planejamento e Controle da Produção);
II. Designar os equipamentos que serão atendidos pelo plano de manutenção e suas
especificações técnicas;
33
III. Observar o fluxo produtivo da empresa e como o plano de manutenção será
afetado;
IV. Identificar o tempo disponível para manutenção;
V. Os responsáveis por realizar a manutenção direta ou indiretamente devem
receber treinamento para tal;
VI. Toda atividade realizada deve conter documentação para auxilio, além de ser
documentada, para ser identificado quem realizou, quando, como e por qual
motivo;
VII. É necessário que haja integração, porque é importante que os setores envolvidos
tenham acesso as informações das atividades feitas pela manutenção, havendo
uma interação com os demais departamentos da empresa;
VIII. Buscar a qualidade, tendo informações de quais problemas ocorreram por
motivos mecânicos e como fazer para saná-los;
IX. Realizar análise dos defeitos, para ajudar na verificação dos problemas
mecânicos e na identificação das ações a serem investigadas para evitar que
esses defeitos se repitam;
X. É necessário realizar o acompanhamento mensal dos relatórios da manutenção,
para garantir que estão sendo realizados e nos períodos estipulados.
Os planos de manutenção devem ser utilizados para analisar futuras manutenções
preventivas, através da coleta de dados, com o objetivo de desenvolver planos de manutenção
dos equipamentos atualizados, garantindo a criação de um plano de manutenção eficiente.
5 PRINCIPAIS OCORRÊNCIAS DE FALHAS
O presente trabalho tem como objetivo geral analisar as falhas mais comuns decorrentes
na operação das turbinas a gás aeroderivadas, assim como analisar e demonstrar os planos de
manutenção utilizados para sanar tais falhas ou identificá-las.
5.1 VIBRAÇÕES MECÂNICAS
As vibrações mecânicas são responsáveis por muitas falhas. Inerentes a máquinas
rotativas, as vibrações podem causar folgas em conexões de tubulação, uniões, flanges e etc. O
34
método aplicado para prevenir esse tipo de falha é a manutenção preditiva, onde são feitas
inspeções visuais durante as rotinas de leitura de área do operador.
Caso algum tipo de vazamento ou outra anormalidade seja observado durante essa
rotina, é feito o registro em um arquivo de pendência e, então, é programada uma parada de
máquina para que seja feita a execução do serviço com o objetivo de evitar ocorrer perdas de
produção.
Figura 10 – Análise de vibração
Fonte: http://pubs.sciepub.com/jmdv/2/1/1/figure/17 Acessado em: 20/07/2019
Há casos mais severos onde a parada da turbina necessita ser imediata, devido ao risco
de incêndios de grandes proporções, já que essas máquinas operam com temperaturas muito
altas e grandes volumes de gás combustível no interior da máquina.
Como forma de prevenir possíveis vazamentos, durante uma parada de máquina são
feitos reapertos dos pontos de uniões de flanges ou conexões próximas à turbina, já que devido
à alta variação de temperatura durante o tempo de operação gerar folgas, possuem maior
probabilidade de apresentar vazamento.
Além das vibrações afetarem essas peças fixas, também há vibrações nas partes móveis,
como rotores, eixos e rolamentos da máquina que podem causar danos ainda piores, até mesmo
irreversíveis.
A fim de evitar esse tipo de vibração, normalmente existe um sistema de monitoramento
contínuo e automático, com uma série de sensores espalhados por todas essas áreas. Esses
sensores podem ser apenas para mostrar os valores de leitura da vibração, ou podem possuir
lógicas que disparam alarmes sonoros e visuais quando ultrapassam um patamar previamente
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estipulado. Caso esse valor seja ainda mais alto que o estipulado para o valor de alarme, e seja
perigoso manter a máquina operando dessa forma, também pode ser programado através da
lógica um valor de desligamento forçado da máquina, chamado de trip.
Sempre que uma leitura passar o valor de trip, a turbina é parada. Apesar de ser um
sistema de proteção para a máquina, pode gerar uma série de outras falhas decorrentes dessa
parada brusca que influenciam diretamente na vida útil desses equipamentos. Os sistemas de
monitoramento de vibração mais utilizados são o GE-Bentley Nevada e o SKF.
Nesses casos, onde há a parada da máquina por atuação do sistema de proteção, algumas
ações são tomadas para confirmação do motivo, tais como:
Verificação e análise do histórico de elevação da vibração do sensor atuado,
através de programas que geram inúmeras opções de análise como gráficos de
tendência, Bode, waterfall, entre outros;
Verificação da fixação das conexões dos sensores, a fim de garantir que não
ocorreu apenas um mau contato;
Aferição do sensor;
Medição da tensão de alimentação.
Caso não sejam encontradas anormalidades durante a execução dos itens supracitados,
é feita então a abertura da máquina para inspecionar em busca de algum fator externo que possa
ter sido a fonte dessa vibração. Em alguns casos, é possível realizar um balanceamento local da
máquina. O que normalmente é feito é uma manutenção corretiva onde ocorre a troca dos
mancais durante uma parada programada da máquina.
Por se tratar de uma manutenção de grande porte é necessário realizar um planejamento
maior, pois é feito bloqueio total dos sistemas adjacentes (sistema de óleo lubrificante, sistema
de gás combustível e Centros de Controle de Motores ou CCM) para possibilitar a desmontagem
da máquina com segurança.
Todas as válvulas devem ser fechadas e identificadas com etiquetas de advertência e os
demarradores do CCM são desligados e bloqueados com cadeados de segurança, atendendo a
norma NR-10.
36
5.2 CORROSÃO
Corrosão é caracterizada como a destruição das propriedades úteis por meios químicos
ou eletroquímicos. Depende do meio em que se encontra, do material da peça ou da máquina,
da velocidade a que está condicionada, do processo de fabricação, entre outros fatores.
A mais comum é a corrosão uniforme, que ocorre em superfícies homogêneas com
acesso uniforme à meios homogêneos. Ocorre mais rápido com o aumento da temperatura e
dependem do material, da concentração e do meio.
Figura 11 – Vanes do compressor de ar com corrosão. Fonte:
http://bd.centro.iff.edu.br/bitstream/123456789/907/1/INSPEÇÃO%20EM%20TURBINAS%20A%20GÁS%20
COM%20O%20USO%20DO%20BOROSCÓPIO.pdf Acessado em: 01/04/2019
Para o caso das turbinas, a corrosão quando ocorre em válvulas pode interferir na sua
funcionalidade, causando rompimento de linhas, vazamento de condensado e gás combustível.
Como algumas partes das linhas de processo ficam expostas ao tempo úmido e salino
das plataformas, são mais predispostas a sofrerem com esse mecanismo de falha. Para evitar
esse problema, deve-se realizar a manutenção preventiva pontualmente. A realização do
tratamento mecânico, pintura com tinta específica e os próprios procedimentos de preservação
devem ser aplicados para evitar que possíveis acidentes ocorram.
Linhas que sofrem de corrosão podem liberar particulados que contaminarão o fluido
que esteja passando por ela. Esses particulados podem causar uma série de problemas, como:
saturação de filtros, contaminação de óleo lubrificante, contaminação de gás combustível e
37
contaminação de óleo diesel. Qualquer um desses problemas pode ocasionar em paradas de
emergência se não tratados.
Não só as linhas de produção sofrem com esse problema, como também o próprio
interior das turbinas. A câmara de combustão é a principal área afetada por esse mecanismo de
falha, devido as altas temperaturas provenientes do processo de combustão, principalmente
quando é utilizado diesel de baixa qualidade.
Turbinas a gás que fazem uso de combustível diesel sofrem uma deterioração mais
rápida e a necessidade de se realizar a manutenção geral se torna mais frequente. Isso ocorre
em consequência da:
Emissão de uma quantidade maior de energia térmica radiante;
Substâncias corrosivas como potássio, sódio, chumbo e vanádio, que provocam
corrosão de palhetas e bocais;
Deposição de materiais.
A corrosão pode ocasionar perda de material na peça, não podendo mais ser garantida
sua integridade. Quando é identificado esse tipo de falha, devem-se acompanhar as vibrações
mecânicas com mais atenção, pois esse mecanismo de falha pode vir de uma vibração por
desbalanceamento. Essas pequenas partes soltas dentro do rotor, ao se mover a altas velocidades
no interior da turbina, podem causar danos muito maiores.
Esses desprendimentos de palhetas podem danificar toda a turbina, causando o que é
chamado de despalhetamento. É um fenômeno em que o desprendimento de uma ou mais
palhetas provocam impacto nas demais, o que gera um efeito de cascata e a destruição quase
que completa da turbina. Nesses casos, pode ser necessário trocar toda a turbina (GG), o que
passa a ser um custo extremamente elevado.
Para evitar isso, ao identificar marcas de impacto e perda de material, deve-se medir o
tamanho desses danos e consultar o limite recomendado no manual. Caso exceda o
recomendado no manual, a recomendação é enviar a turbina para reparo, onde irá ser trocado o
rotor inteiro, ou todas as palhetas danificadas.
5.3 ISOLAMENTO TÉRMICO
Por operar com temperatura média em torno de 700ºC, os isolamentos térmicos da
turbina sofrem bastante e podem acabar falhando. O desprendimento de chaparias dos dutos de
38
descarga, que é por onde saem os gases após a combustão, ocasiona na fuga de calor para a
atmosfera.
Esse calor proveniente da combustão eleva em muito a temperatura do ambiente dos
módulos onde estão instaladas as turbinas, ocasionando danos principalmente na proteção dos
cabos que passam pelo local, o que por sua vez gera falhas em sensores e consequentemente
pode levar a parada forçada da máquina por atuação de algum sistema de emergência.
Não só os cabos, como a temperatura elevada também dificulta o trabalho dos técnicos
que precisam trabalhar nessa área.
Figura 12 – Cabo danificado por falha no isolamento térmico.
Fonte: Análise de Falhas em turbinas a gás offshore e suas respectivas formas de manutenção, 2014.
Uma forma de evitar esses problemas é através da realização de manutenções preditivas,
realizando o acompanhamento das temperaturas das áreas onde estão instaladas as turbo
máquinas, detectando elevações de temperatura ao longo do tempo, além de realizar inspeções
visuais rotineiras, para garantir que não haja nenhum desprendimento da proteção.
A corrosão dos materiais dos dutos de entrada de ar normalmente está associada a baixa
qualidade do ar extremamente agressivo. Melhorar o sistema de filtragem de ar, garantindo que
estejam sendo realizadas as trocas dos filtros nos períodos corretos é uma forma de evitar esse
tipo de falha através da utilização de manutenção preventiva.
5.4 EROSÃO
A erosão é outro mecanismo de falha frequente na operação e turbinas aeroderivadas.
O movimento do fluido no interior da turbina, através das palhetas do rotor e das aletas
39
estatoras, pode-lhes ocasionar danos devido a sua alta velocidade, onde micropartículas
presentes no fluido se chocam com as paredes internas e causam erosão.
As superfícies expostas a esse tipo de falha se tornam rugosas, alterando o perfil das
palhetas, aumentando suas folgas, variando a distribuição de pressão em sua superfície e
consequentemente diminuindo a eficiência do perfil aerodinâmico do componente.
Figura 13 – Nozzles da GG com erosão. Fonte:
http://bd.centro.iff.edu.br/bitstream/123456789/907/1/INSPEÇÃO%20EM%20TURBINAS%20A%20GÁS%20
COM%20O%20USO%20DO%20BOROSCÓPIO.pdf Acessado em: 01/04/2019
Normalmente ocorre devido à poeira presente no ar de entrada. As turbinas
aeroderivadas possuem um sistema automático de lavagem, onde opera a baixa rotação
enquanto um líquido pressurizado é injetado a todo tempo contra as palhetas do compressor a
fim de remover as impurezas impregnadas em suas paredes.
Trincas também podem aparecer devido à erosão. Gases oriundos da combustão causam
impacto das micropartículas nas extremidades dos dutos, que por sua vez ocasionam a perda de
material e consequentemente trincas.
Trincas também são indicativos de fim de vida útil do material e devem ser solucionadas
com a utilização da manutenção corretiva, com a troca do material ou com a realização do
processo de soldagem.
6. PRINCIPAIS PLANOS DE MANUTENÇÃO
Em princípio, a parte mecânica é a que deve receber maior ênfase se tratando das
turbinas aeroderivadas, pois é a parte mecânica do equipamento que mais sofre desgaste de
acordo com que o tempo de operação da máquina aumenta. Abaixo foram listados alguns dos
40
itens mais relevantes para a manutenção que devem fazer parte da rotina do operador e
mantenedor.
Limpeza da Máquina;
Verificação do sistema de lubrificação;
Verificação e troca dos filtros de ar de entrada;
Verificação dos níveis de óleo lubrificante mineral e sintético;
Verificação dos valores de vibração de todos os subsistemas, principalmente da
caixa de engrenagens, motor e mancais da turbina;
Verificação dos valores de pressão diferencial de todos os filtros dos subsistemas
que alimentam o sistema de geração;
Verificação da correta operação das válvulas que compõe o sistema.
6.1 LIMPEZA DE TURBOMÁQUINAS
A limpeza das turbinas é fundamental para evitar problemas referentes a corrosão e
erosão das palhetas da turbina. Visa retirar do sistema, contaminantes, produtos que causam
corrosão, resíduos de metais e de tintas e outros resíduos que não possuem utilidade no
processo.
É necessária quando há o comissionamento do sistema, que se trata do processo de
assegurar que o sistema e seus componentes estão projetados, instalados e testados da maneira
correta, e durante a operação das turbomáquinas. Além disso, devem ser realizadas durante a
preparação da turbomáquina para realização de inspeções durante manutenções preventivas e
corretivas, sejam durante a operação no campo ou nas oficinas. Também devem ser feitas antes
da preservação e embalagem nos casos onde estas irão ser estocadas ou transportadas e,
obviamente, também devem ser realizadas antes da execução de processos de reparo.
6.1.1 LIMPEZA DURANTE O COMISSIONAMENTO E OPERAÇÃO
A limpeza durante o comissionamento e operação pode ser dividida em quatro etapas,
que são:
Decapagem química das linhas de processo do pacote;
Limpeza do sistema de óleo lubrificante e selagem;
41
Limpeza do compressor de ar do gerador de gás da turbina;
Limpeza dos filtros existentes no pacote.
A seguir, será detalhado cada uma dessas etapas de forma a explicar seus objetivos e o
procedimento utilizado em cada uma.
6.1.2 DECAPAGEM QUÍMICA DAS LINHAS DE PROCESSO DO PACOTE
A decapagem é realizada durante o comissionamento do pacote a fim de remover
produtos de corrosão e outras impurezas, como óleo e graxa, das linhas para impedir que os
mesmos sejam transportados para dentro do compressor quando a máquina entrar em operação.
São utilizados produtos químicos ácidos e alcalinos adequados de acordo com a
recomendação prevista no manual. Após a decapagem química é realizada a inertização das
linhas utilizando nitrogênio a fim de evitar a formação de atmosferas com concentrações
inadequadas de gases tóxicos e oxigênio.
6.1.3 LIMPEZA DO SISTEMA DE ÓLEO LUBRIFICANTE E SELAGEM
É utilizada quando há uma parada de máquina muito longa em que as linhas tenham
permanecido abertas, expostas ao tempo, sem que houvesse a devida preservação. Visa retirar
do sistema contaminantes, produtos de corrosão, resíduos de metais e tintas, etc.
Normalmente é utilizado o mesmo óleo que é usado durante a operação da máquina. É
recomendado que a temperatura desse óleo esteja entre 71ºC e 82ºC. Pode também fazer uso de
um sistema externo de reservatório de óleo, bomba, aquecedor e filtro ou os próprios
equipamentos instalados.
Todos os pontos de alimentação de óleo para os mancais deverão ser desconectados, a
fim de não transportar nenhum contaminante para os mesmos. Devem também, serem instaladas
telas de filtragens de aço inox e papel filtro em pontos específicos e inspecioná-los a cada 4 ou
6 horas para averiguar o estado de contaminação do sistema. Dependendo de como esteja esse
estado, o processo de lavagem pode demorar dias.
Normalmente, filtros de tela são colocados na entrada de cada mancal para reter
partículas que por acaso tenham ficado no sistema. Esses filtros podem ser retirados após as
primeiras 100 horas de operação, caso não se observe presença de nenhuma partícula.
42
6.1.4 LAVAGEM DO COMPRESSOR DE AR DO GERADOR DE GÁS
A lavagem dos compressores tem como objetivo remover depósitos de materiais como
fuligem, poeira, óleo e principalmente sal nas palhetas do compressor de ar, a fim de
reestabelecer o desempenho da turbina. Os seguintes problemas podem ocorrer devido a
presença de sujeira no interior do compressor:
Falha de aceleração da turbina até a velocidade máxima;
Fenômeno de surge no compressor, que é a inversão do fluxo do ar dentro do
compressor;
Impossibilidade de alcançar a potência máxima;
Diminuição da pressão de descarga do compressor de ar;
Aumento da temperatura do gás na entrada da turbina de alta pressão.
Quando um dos sintomas acima é observado, considera-se que há a necessidade de
limpeza do compressor de ar. Tanto a pressão de descarga do compressor ar quanto a
temperatura do gás na entrada da turbina de alta potência são variáveis que possibilitam
determinar a necessidade de limpeza. Quando há uma queda de 5% ou mais no valor da pressão
em relação ao valor quando da partida da turbina, é recomendável que se faça a limpeza do
mesmo.
Algumas recomendações importantes na lavagem do compressor de ar devem ser
seguidas a fim de evitar que essa manutenção se torne prejudicial ao equipamento. São elas:
Quando a turbina for retirada de operação para lavagem, esperar o resfriamento
da mesma para poder dar início ao processo de lavagem, quando a temperatura
da carcaça estiver abaixo de 65ºC. São necessárias, normalmente, no mínimo
oito horas para permitir o resfriamento;
Utilizar produtos aprovados pelo fabricante da turbina e na quantidade
recomendada;
Bloquear e desconectar todas as linhas da turbina de acordo com a recomendação
do fabricante antes da lavagem e desbloqueá-las e reconecta-las antes da partida
da mesma;
Utilizar água destilada tanto para preparar a mistura como para enxaguar. Em
casos onde não há disponibilidade de água destilada, a água utilizada deve
atender a todas as especificações do fabricante;
43
O número de ciclos de lavagem irá depender do estado de contaminação que se
encontra o compressor de ar;
Após o término da lavagem, é altamente recomendado que a turbina entre em
operação por algum tempo, mesmo que o pacote não seja colocado em operação.
Os próximos tópicos abordam os três métodos de limpeza empregados na lavagem das
turbinas aeroderivadas.
6.1.4.1 LAVAGEM COM DETERGENTE
Quando as palhetas do compressor estiverem impregnadas com materiais gordurosos, a
lavagem com detergente é a recomendada. É realizada com uma mistura de água e solvente,
podendo também, dependendo do tipo de solvente, ser adicionado querosene.
Após essa lavagem com solvente é realizado o enxague da máquina somente com água.
Essa lavagem depende de condições ambientais e operacionais, já que o produto dessa lavagem
é descartado no mar.
6.1.4.2 LAVAGEM COM ÁGUA
Esse método de lavagem é o mais simples de todos, onde é utilizado apenas água. É
utilizada para lavagens frequentes quando as palhetas não estão contaminadas com óleo ou com
substâncias gordurosas.
6.1.4.3 LAVAGEM SÓLIDA
Esse método de lavagem só deve ser utilizado nos casos em que os métodos anteriores
se mostraram ineficientes para remover os depósitos existentes nas palhetas após uma criteriosa
análise de custo benefício, já que a utilização de produto sólido pode causar uma deterioração
severa das palhetas.
6.1.5 LIMPEZA DE BICOS INJETORES
A limpeza dos bicos injetores é realizada durante as manutenções preventivas
programadas (normalmente a cada 8000 horas) ou quando há indícios de sua necessidade.
44
Esses indícios se mostram na forma do “spread”, que nada mais é do que a diferença
entre o maior valor medido em um sensor de temperatura e do menor valor medido também
entre esses sensores. Esses sensores estão localizados perto de cada bico injetor.
A limpeza é realizada utilizando uma cuba de ultrassom com solvente na qual é imerso
cada bico injetor.
6.1.6 LIMPEZA DE FILTROS
A maioria dos filtros instalados nas turbomáquinas é substituída em função do aumento
do diferencial de pressão ou durante as intervenções programadas. Os que não se aplicam a essa
regra são os constituídos de tela mecânica e que podem ser limpos com a utilização de algum
tipo de solvente. Quaisquer elementos de filtro que possuam algum tipo de papel na sua
composição não devem ser lavados.
Figura 14 – Filtros de ar de entrada
Fonte: http://www.gasturbineinletairfilters.com/industries/gas-turbines Acessado em: 20/07/2019
6.2 INSPEÇÃO DE TURBOMÁQUINAS
A inspeção tem como objetivo principal a identificação das condições físicas e
metalúrgicas dos componentes das turbomáquinas após um período determinado de operação.
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Além desse objetivo principal, as inspeções auxiliam na montagem e desmontagem das
máquinas, no ajuste de folgas, no alinhamento e no balanceamento dinâmico e estático.
As inspeções também são fundamentais quando há componentes enviados para reparo,
pois é possível realizar o controle da qualidade dos processos de reparo, além de identificar a
extensão da vida útil desses componentes.
Outros objetivos incluem:
Análise de falhas;
Fabricação / Nacionalização de componentes (Reengenharia);
Elaboração do histórico do equipamento para otimização do planejamento de
planos e listas de tarefas de manutenção.
Por último e não menos importante, há a questão da rastreabilidade dos componentes,
identificando seu número de série para futuras compras ou para controle interno dos
equipamentos adquiridos.
6.2.1 INSPEÇÃO DESTRUTIVA E NÃO DESTRUTIVA
As inspeções, de maneira geral, são classificadas em dois tipos: destrutivas e não
destrutivas.
As inspeções não destrutivas são aquelas que não comprometem a integridade do
componente a ser inspecionado. Já as inspeções destrutivas são aquelas que implicam na
destruição parcial ou total do componente cujo está sendo inspecionado. Há algumas análises
destrutivas, como a identificação da composição química do material do componente, que são
obtidas pela remoção de material de área que não comprometem a integridade e
operacionalidade do componente em si. As análises metalográficas, quando feitas por réplica,
também são outros exemplos de inspeções destrutivas desse tipo.
Os métodos de inspeção não destrutivas específicos para a área de turbomáquinas são:
Inspeção de rolamentos;
Inspeção quanto a capilaridade da face aberta de estruturas de colmeias;
Teste de fluxo na refrigeração de palhetas e aletas (em bancada);
Teste de estanqueidade em válvulas de controle anti-surge;
Teste de fluxo de gás do injetor de combustível;
Análise para caracterização de composição química – cromatografia do gás;
Análise metalográfica por réplica;
46
Ensaio para revelação de revestimentos de alta temperatura;
Microscopia eletrônica;
Inspeção boroscópica;
Análise de vibração;
Análise de óleo (suas características físico-químicas e presença de
contaminantes).
Os processos de inspeção destrutivos mais utilizados são:
Análise para caracterização de composição química;
Análise metalográfica;
Ensaios de tração, dobramento, impacto, torção, compressão;
Ensaio de fadiga (baixo e alto ciclo, em função da temperatura e meio ambiente);
Ensaio de corrosão acelerada;
Amostras (palhetas) para controle de processo.
6.2.2 INSPEÇÃO BOROSCÓPICA
A inspeção por boroscopia faz parte da manutenção preditiva e é uma inspeção não
destrutiva que conta com o auxílio de equipamentos comercialmente chamados de boroscópio,
fibroscópio ou videoscópio” e que permite avaliar as condições das partes internas do
equipamento em questão, sem ser necessária que haja a completa desmontagem da máquina.
Ela é de grande importância, porque dependendo da situação dos possíveis danos da
máquina, pode definir a continuidade operacional ou não deste equipamento.
As áreas e os componentes inspecionados incluem as palhetas rotoras da turbina e
sapatas de selagem, palhetas estatoras, câmara de combustão, palhetas do compressor e palhetas
estatoras do rotor do compressor, além de outras áreas do equipamento quando necessário.
O equipamento é composto por uma fonte de luz, boroscópio rígido, fibroscópio flexível
e tubos guias, além de poder fazer uso de uma câmera de vídeo com um monitor para
visualização e gravação das imagens.
47
Figura 15 – Boroscópio
Fonte: https://www.predmec.com.br/boroscopia/ Acessado em:22/06/2019
No mercado atual, existem diferentes modelos destes equipamentos com diversas
variações de lentes, diâmetros, direções de visão e ângulos de visão. Estão disponíveis para
aplicações diversas, fazendo uso de uma ótima iluminação com recursos de luz guia especial
para eliminar perdas de luz e dar ao operador uma definição mais clara e precisa.
Para facilitar o acesso ao interior da máquina, as turbinas aeroderivadas dispõem de
entradas especiais para o boroscópio, incorporadas à carcaça de cada seção. Tais entradas,
aliadas a aberturas onde se alojam acessórios da turbina como bicos injetores, tocha e sondas
de temperatura, fornecem as condições para que a inspeção ocorra de forma segura assim como
seu diagnóstico.
Existem três tipos de equipamento utilizados para realização da inspeção boroscópica.
Os boroscópios foram os primeiros a serem utilizados e possuem haste rígida que é feita para
introduzir na turbina. Os fibroscópios surgiram depois e, estes, possuem haste flexível,
melhorando o controle do usuário ao movimentar o equipamento dentro das turbinas. Por
último, há o videoscópio, que possui recursos de filmagem e fotografia e que são os mais
utilizados atualmente.
Por se tratar de uma inspeção que ocorre inserindo um equipamento dentro da turbina,
é imprescindível que o usuário tome algumas precauções. Durante a rotina de inspeção é
importante que cuidados sejam tomados para prevenir a queda de porcas, arruelas ou outros
materiais no interior da máquina que, por sua vez, podem levar à completa destruição da turbina
caso ela entre em operação com essas peças em seu interior.
48
Figura 16 - Inspeção.
Fonte: http://vtkservicos.com.br/boroscopia-industrial.php Acessado em: 22/06/2019.
Por isso, deve-se cobrir todos os acessos ao seu interior com fita para proteção contra a
entrada de materiais estranhos sempre que não estiverem sendo utilizados no momento.
As inspeções boroscópicas são fundamentais para garantir a confiabilidade funcional
dos componentes internos críticos do equipamento, avaliar anormalidades no processo, além de
fornecer informações essenciais para tomadas de decisão quanto à remoção prematura da
turbina, devido a falha de algum componente interno em um período inferior ao previsto para
a revisão completa da máquina, também chamada de “Overhaul”. Também possui o objetivo
de garantir a possibilidade de estender a vida útil do equipamento, ou sua sobrevida, que é o
período maior que o previsto para sua revisão completa.
Possui como principais benefícios:
Permitir maior velocidade na tomada de decisão quanto aos resultados obtidos,
com qualidade e garantia de resultados;
Custo de manutenção reduzido;
Eliminação do tempo gasto em desmontagens, que se tornam desnecessárias.
Através da boroscopia, é possível visualizar a integridade de cada componente ou seção
da turbina. Os principais sinais a serem buscados em uma inspeção boroscópica são:
Marcas de impactos;
Trincas;
Roçamentos;
49
Desgastes;
Perda de revestimento;
Depósitos de sujeira;
Erosão térmica;
Desplacamentos;
Vazamentos;
Corpos estranhos;
Coloração.
Normalmente, quando são identificadas marcas de impacto em alguma parte da turbina,
principalmente no compressor, é recomendado realizar a inspeção em todo o sistema de
filtragem para verificar sua integridade e encontrar a origem do possível objeto estranho que
causou tais marcas.
Esses sinais estão melhor descritos no capítulo 5.1, onde são apresentadas as principais
falhas associadas as turbinas aeroderivadas de acordo com a classificação de seus danos.
Essas inspeções devem ser feitas durante a vida útil da turbina até a retirada da mesma
para a revisão geral, onde irá ser aberta e inspecionado cada elemento e substituído ou reparado
os que forem precisos. As inspeções devem obedecer aos seguintes critérios:
A cada 4000 horas de operação (ou semestralmente);
Durante revisões anuais, onde há uma revisão maior de todo o processo;
Em casos de perda de eficiência da turbina por causa de fatores que não são
externos, como filtro saturado por exemplo.
50
Figura 17 – Pontos de acesso para inspeção
Fonte:
http://bd.centro.iff.edu.br/bitstream/123456789/907/1/INSPEÇÃO%20EM%20TURBINAS%20A%20GÁS%20COM%20O
%20USO%20DO%20BOROSCÓPIO.pdf Acessado em: 20/06/2019
6.2.3 ALINHAMENTO
O objetivo do alinhamento é aumentar a vida útil dos acoplamentos e dos mancais da
turbina, através do posicionamento correto dos eixos e redução dos níveis de vibração. O
alinhamento dos eixos se trata de uma correção relativa de duas ou mais máquinas que possuem
uma conexão entre si, de forma que as linhas de centro dos eixos formem uma linha reta quando
as máquinas estiverem funcionando em condições normais de temperatura.
51
Figura 18 – Exemplos de desalinhamento
Fonte: https://www.google.com.br/url?sa=i&source=images&cd=&ved=2ahUKEwje4eOlnK3jAhW4E7kGHT-
aCJ4Q5TV6BAgBEAs&url=ftp%3A%2F%2Fftp.ufv.br%2Fdta%2Fdisciplinas%2Ftal420%2F2002%2FMANUTEN%25C7
%25C3O%2FPNQC%2FAlinhamento.pdf&psig=AOvVaw2JRjfE2Jo2FfmUe4DRVifQ&ust=1562946673404432 Acessado
em: 20/06/2019.
O alinhamento significa mover os pares traseiros e dianteiros da fixação de um
equipamento, vertical e horizontalmente, até que os eixos estejam alinhados dentro dos limites
especificados pelos fabricantes, tanto para o sentido radial quanto axial.
A seguir, serão descritos, brevemente, três métodos de alinhamento mais comumente
utilizados, que são: régua retificada, relógios comparadores e óptico laser.
A régua retificada é um método simples e rápido para executar e por isso é um dos mais
difundidos quanto ao modelo de acoplamento. Consiste basicamente em posicionar uma régua
sobre os acoplamentos, realizando os ajustes em seus suportes até que o nivelamento da régua
seja alcançado.
52
Figura 19 – Exemplo de utilização de régua retificada.
Fonte: https://www.google.com.br/url?sa=i&source=images&cd=&ved=2ahUKEwje4eOlnK3jAhW4E7kGHT-
aCJ4Q5TV6BAgBEAs&url=ftp%3A%2F%2Fftp.ufv.br%2Fdta%2Fdisciplinas%2Ftal420%2F2002%2FMANUTEN%25C7
%25C3O%2FPNQC%2FAlinhamento.pdf&psig=AOvVaw2JRjfE2Jo2FfmUe4DRVifQ&ust=1562946673404432 Acessado
em: 20/06/2019.
O método dos relógios comparadores é o método mais utilizado em turbomáquinas
devido ao seu nível de precisão, custo reduzido das ferramentas e tempo despendido. Sua
desvantagem é necessitar de ferramentas fabricadas especialmente para cada um dos tipos de
equipamentos a serem alinhados, não podendo ser utilizada a mesma ferramenta para
equipamentos semelhantes como turbocompressores e turbogeradores.
53
Figura 20 – Método dos relógios comparadores.
Fonte: https://www.google.com.br/url?sa=i&source=images&cd=&ved=2ahUKEwje4eOlnK3jAhW4E7kGHT-
aCJ4Q5TV6BAgBEAs&url=ftp%3A%2F%2Fftp.ufv.br%2Fdta%2Fdisciplinas%2Ftal420%2F2002%2FMANUTEN%25C7
%25C3O%2FPNQC%2FAlinhamento.pdf&psig=AOvVaw2JRjfE2Jo2FfmUe4DRVifQ&ust=1562946673404432 Acessado
em: 20/06/2019.
Já o método do óptico laser possui a precisão mais alta entre os três métodos, além de
proporcionar várias vantagens ao executante desse procedimento. Não possui necessidade de
ter ferramentas especiais, confeccionadas exclusivamente para cada tipo de equipamento, já
que é possível utilizar fixadores universais para alinhamento que atendem a uma grande
variedade de modelos e tipos de equipamentos.
54
Figura 21 – Método óptico laser.
Fonte: http://www.mmtec.com.br/category/blog/page/23/ Acessado em: 20/06/2019.
Sua desvantagem é possuir um valor de investimento elevado para aquisição do
equipamento, e a frequência de utilização desse equipamento deve ser levado em consideração
para viabilização ou não do método.
7 ELABORAÇÃO DE UM MODELO DE PLANO DE MANUTENÇÂO
Como objetivo final desse trabalho, será modelado um plano de manutenção baseado
nas informações previamente descritas. Serão descritas os motivos que levaram a definição do
modelo final seguindo as etapas previstas no capítulo 2.
Foram utilizados os conceitos abordados no capítulo 4, mais especificamente o item
4.4.2 onde é descrito o que é necessário para elaborar um plano e quais itens fundamentais
devem ser contidos nele.
No ramo industrial atual existem programas conceituados que facilitam o
gerenciamento da manutenção como um todo, servindo como banco de dados, ferramenta de
pesquisa e controle administrativo.
É aconselhável utilizar alguma ferramenta de gestão para manter controle desses
processos, de preferência, de forma automatizada e bem estruturada. A estrutura organizacional
dos equipamentos é de extrema importância, pois influencia diretamente no tempo gasto do
trabalhador na hora de encontrar o plano de manutenção atribuído ao equipamento ou quando
for preciso identificar qual é o sistema a que este equipamento pertence.
Na Figura 22, é possível identificar o tempo geral gasto em percentual ao realizar
atividades de manutenção sem um planejamento adequado através de um gráfico em pizza.
55
Figura 22 – Tempo produtivo de trabalho.
Fonte: https://engeteles.com.br/10-grandes-desperdicios-na-manutencao/ Acessado em: 20/05/2019.
7.1 MODELO DO PLANO
Ter um modelo de plano de manutenção é fundamental para garantir que as informações
necessárias estejam sempre contidas em um mesmo lugar e de forma padronizada. Dessa forma,
economiza-se tempo por não ter que procurar informações relevantes àquele processo em outros
lugares que não sejam o próprio plano.
Tendo isso em mente, foram escolhidas as seguintes informações para estarem contidas
no modelo proposto:
Duração do plano;
Centro de trabalho responsável;
Número de pessoas que executarão o serviço;
Periodicidade;
Código do equipamento atendido pelo plano;
Descrição geral do plano;
Sistema a que está atribuído;
Subsistema a que está atribuído (se for necessário);
56
Data planejada para execução;
Última data que foi feita a execução desse plano;
Número do plano;
Lista de tarefas contidas no plano;
Situação da máquina (Operando ou Parada);
Data da última revisão que o plano sofreu.
A duração do plano é fundamental para o planejamento, pois informa de forma geral
quanto tempo será gasto na realização das tarefas atribuídas ao plano, desde a retirada da
permissão de trabalho emitida por um técnico de segurança do trabalho, até o fim da
manutenção.
Nos casos em que o plano necessita de que a máquina esteja parada, essa duração é
fundamental também para o cálculo de perda de produção. É comum no ramo industrial serem
utilizados indicadores de manutenção para controlar essas informações e encontrar a melhor
forma de gestão.
O centro de trabalho responsável indica a qual categoria esse plano está associado e
quais qualificações seu executante deve ter. Para o caso das turbinas, o mais comum é que sejam
divididos entre Instrumentação, Mecânica ou Elétrica, e podendo ser dividido também entre
técnicos e engenheiros.
O número de pessoas que executarão o serviço informa quantos trabalhadores terão que
estar disponíveis para execução do plano. Isso influencia diretamente na duração do serviço e
no custo de Homem-Hora. Para os casos de serviços em alto mar, por exemplo, esse indicador
de número de pessoas também é fundamental para saber quantas pessoas devem embarcar
naquele período.
A periodicidade do plano indica de quanto em quanto tempo esse plano irá se repetir.
Costumam variar entre diariamente, semanalmente, semestralmente, anualmente ou qualquer
outro determinado pela equipe de gestão. Essa periodicidade depende da necessidade ou não de
se realizar determinado plano com frequência e muitas vezes é determinada pelo próprio
fabricante dos equipamentos, através de um estudo de falhas.
O código do equipamento informa qual o equipamento será atendido pelo plano. Esse
código normalmente vem informado pelo fabricante como número de série, mas pode ser
associado a outro valor caso a empresa decida categorizar os equipamentos de outra forma. O
importante é que equipamentos não possuam o mesmo código.
57
A descrição geral do plano tem como objetivo o de diferenciar este dos outros planos
quando forem listados em um banco de dados, facilitando sua identificação e facilitando
também a busca por esse plano.
Tanto o sistema quanto o subsistema servem para categorizar os planos que são comuns
a todos os equipamentos que aquele sistema possui, ou específicos de um equipamento que está
contido tanto em um sistema quanto em um subsistema específico.
A data planejada para execução e a última data executada também servem para controle
da manutenção por parte da gestão. Indica se os planos estão sendo executados de acordo com
sua periodicidade e se precisa ser feito algum reajuste na periodicidade para adequar o plano às
necessidades reais.
Assim como o código do equipamento, o número do plano serve para identificar esse
plano específico dos outros sem ter a necessidade de diferenciá-los por descrição. Às vezes,
planos com a mesma descrição geral podem ser atribuídos a equipamentos diferentes e,
portanto, devem possuir números de plano diferentes. Um exemplo são os planos que podem
ter como descrição geral “Inspeção de válvula”, mas serem atribuídos a diferentes tipos de
válvulas, deixando a diferenciação por parte do código do equipamento e do número do plano.
A lista de tarefas é o corpo do plano de manutenção em si. Informa quais tarefas estão
sendo atendidas por aquele plano e quais os procedimentos utilizados para realização das
mesmas. Contém, também, as informações técnicas necessárias para o executante do plano
saber e onde encontrar mais informações desses procedimentos, normalmente, com referências
aos próprios manuais do equipamento.
A situação da máquina é importante para informar se o plano pode ser realizado
enquanto a máquina está em operação ou se necessita que ela esteja parada. Planos que exigem
que a máquina esteja parada influenciam diretamente no custo relacionado a essa parada de
máquina e, portanto, essa informação é de extrema importância.
Por fim, e de extrema importância, se encontra a informação da última data que esse
plano foi revisado. Como os equipamentos possuem curvas de tendência de falhas de acordo
com seu tempo de vida, é importante que os planos também se alterem para se adequar a essas
necessidades, seja diminuindo a periodicidade ou adicionando procedimentos a lista de tarefas.
Qualquer mudança em um dos itens anteriores deve ser cadastrada nessa etapa.
Com todos esses itens definidos e explicados, foi gerado um modelo simples de como
ficaria um plano gerado seguindo a metodologia aplicada.
58
Figura 23 – Modelo.
59
7.2 APLICAÇÃO DO MODELO
Esse capítulo tem como objetivo demonstrar como ficaria o modelo proposto aplicado
a um plano de manutenção previamente descrito. Foi escolhido um plano de manutenção
preventiva de inspeção boroscópica por ser um dos planos mais importantes, já que através dele
é possível identificar a real integridade do equipamento e saber quais medidas deverão ser
tomadas a partir dessas informações.
Para as informações que dependem da estrutura organizacional onde esse plano está
sendo implementando, foi preenchido com nomes genéricos, mas é aconselhável que esses
nomes possuem um padrão quando forem implementados. Isso facilita a busca e até mesmo a
implementação de planos iguais para equipamentos iguais em outros sistemas ou subsistemas.
No caso dos números do plano ou código de equipamento, decidiu-se utilizar uma sequência de
X’s para identificar que a numeração pode assumir qualquer valor.
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Figura 24 – Exemplo de um modelo aplicado.
Todas as informações contidas nessa lista de tarefas fazem referência tanto ao capítulo
3, onde é descrito cada parte da turbina e seus componentes, quanto ao capítulo 5.2.2.2, que
descreve o procedimento da inspeção boroscópica propriamente dita.
A duração varia dependendo do número de executantes e da experiência dos mesmos,
sendo um valor arbitrário. É interessante colocar mais de uma pessoa para realizar essa inspeção
a fim de agilizar o procedimento e evitar que ele se prolongue mais que o necessário. Se trata
de uma inspeção de máquina parada, e as turbinas aeroderivadas normalmente operam a todo
instante. Maiores durações implicam em maior tempo de máquina parada e, consequentemente,
maior será o custo associado a esse plano.
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8 CONCLUSÃO
A manutenção é de extrema importância para os resultados de confiabilidade,
disponibilidade e segurança das próprias turbinas aeroderivadas e para o processo para o qual
elas atuam.
Esse trabalho contribui com mais literatura específica sobre o tema, devido aos assuntos
descritos sobre as turbinas aeroderivadas alcançarem uma ampla área da engenharia, desde
falhas mecânicas à gestão da manutenção em si.
Esse trabalho também contribui aos futuros e atuais profissionais que desejam trabalhar
no setor de manutenção mecânica que utilizam turbinas aeroderivadas. Com o modelo proposto
é possível entender como é estruturado um plano de manutenção e que informações
normalmente estão contidas, além da importância de cada um deles.
A primeira recomendação para futuros trabalhos é a de se aprofundar sobre os temas
abordados neste trabalho, podendo partir para uma análise mais detalhadas das falhas que
acometem esse tipo de máquina e como saná-las. Outra alternativa é analisar falhas que
acontecem nos outros equipamentos do sistema de geração, como caixa de engrenagens,
compressores, válvulas, etc.
É importante destacar que os modelos e técnicas de manutenção apresentados nesse
trabalho já são utilizados no Brasil e no mundo, através da gestão da manutenção e utilização
de técnicas como a Manutenção Produtiva Total.
Outra recomendação é aproveitar para aprofundar no tema da gestão da manutenção,
aplicando os conceitos para outros equipamentos e áreas, ou até mesmo para um estudo de caso,
adequando à realidade da organização estudada.
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9 REFERENCIA BIBLIOGRÁFICAS
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